基于S3C44B0芯片的uClinux內(nèi)核引導過程分析

前　言

隨著計算機硬件技術的不斷發(fā)展，功能強大、資源豐富的嵌入式芯片，成為研究人員開發(fā)專業(yè)應用領域產(chǎn)品的首選。三星公司生產(chǎn)的S3C44B0芯片，采用ARM7TDM I內(nèi)核，具有功耗小、成本低的特點，是一款專門針對移動終端及PDA手持設備市場的產(chǎn)品。近幾年，源碼開放的L inux系統(tǒng)迅速發(fā)展，很快成為跨平臺操作系統(tǒng)中的佼佼者，并且出現(xiàn)了專門針對嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品———uClinux。在S3C44B0芯片上移植 uClinux操作系統(tǒng)，能夠充分發(fā)揮該芯片系統(tǒng)資源豐富（相對單片機而言）的特點，開發(fā)出功能強大的應用產(chǎn)品。

嵌入式系統(tǒng)的啟動引導程序與硬件嚴格相關，對編寫人員的要求較高，而在移植uClinux后又大大增加了引導程序的復雜程度，因此這部分代碼往往是各個嵌入式產(chǎn)品開發(fā)廠商嚴格保密的部分。下面將以一款市場上成熟的基于S3C44B0芯片的嵌入式開發(fā)板為藍本，對引導uClinux內(nèi)核的過程進行分析。

系統(tǒng)引導過程分析

嵌入式系統(tǒng)中uClinux內(nèi)核的系統(tǒng)引導過程通?？梢苑譃?個階段，即boot階段、系統(tǒng)初始化階段和uClinux內(nèi)核引導階段。通常情況下boot階段和系統(tǒng)初始化階段的工作由一段被稱為bootloader的代碼完成，而內(nèi)核引導則是由事先編譯好了的uClinux可執(zhí)行鏡像來實現(xiàn)。

系統(tǒng)內(nèi)存組織

由于嵌入式系統(tǒng)的硬件環(huán)境千差萬別，即使選用同一種型號的嵌入式芯片，其外圍設備也大不相同，特別是存儲設備的組織，將直接關系到引導程序的實現(xiàn)。對于 S3C44B0芯片，其生產(chǎn)廠家規(guī)定在系統(tǒng)加電自舉后，從0x00000000處開始執(zhí)行（其他芯片如ARM9系列可以通過地址映射改變該地址） ，故此處通常安排的是Flash 地址空間，用于保存bootloader啟動代碼以及uClinux映象。對于S3C44B0 芯片， RAM 地址被固定在0x0c000000到0x0fffffff的64兆，開發(fā)人員可以根據(jù)自己的需要再組織RAM，如本開發(fā)板存儲器地址安排如下：

此外，考慮到Flash運行速度的問題，通常采取的做法是將系統(tǒng)初始化階段的代碼和uClinux內(nèi)核鏡像拷貝到RAM中執(zhí)行。下面將分3個階段分析系統(tǒng)引導過程。

boot階段

boot階段的主要工作是設置系統(tǒng)中斷向量、完成對CPU內(nèi)部寄存器的初始化、系統(tǒng)RAM初始化、為運行C程序組織堆棧、拷貝初始化階段代碼到RAM、跳轉(zhuǎn)到C程序入口。該階段代碼直接在Flash中運行，為提高執(zhí)行效率采用匯編語言編寫。

（1） 設置中斷向量。設置S3C44B0芯片的8種系統(tǒng)中斷的中斷向量地址（包括復位中斷、未定義指令中斷、軟件中斷、指令預取異常中斷、數(shù)據(jù)異常中斷、地址異常中斷、IRQ 中斷和F IQ 中斷） ，該地址空間從系統(tǒng)RAM的起始地址開始安排。通常情況下，在Flash的起始部分，存放的就是針對各中斷向量地址的無條件跳轉(zhuǎn)指令。

__entry :

B ResetHandler

/* for reset vector */

LDR PC， = 0x0c00000c

/* 0x0c00000: 未定義指令中斷向量地址*/

……

/* 中間省略類似跳轉(zhuǎn)*/

LDR PC， = 0x0c000024

/* 0x0c000024: F IQ中斷向量地址*/

（2） CPU內(nèi)部寄存器初始化。通過配置CPU運行于SVC模式（采用改變CPSC寄存器中CPU運行模式位的方式來實現(xiàn)） ，并設置相關寄存器，以實現(xiàn)對基本硬件的初始化工作，包括關閉中斷、初始化CPU通用端口和設置CPU頻率等。進入SVC模式匯編代碼如下：

MRS a1， CPSR /* 保存當前狀態(tài)寄存器值*/

BICa1， a1， #MODE_MASK /* 清除運行模式位*/

ORR a1， a1， #SUP_MODE/* 設置為超級用戶模式*/

ORR a1， a1， #LOCKOUT /* 關閉F IQ和IRQ */

MSR CPSR_cxsf， a1 /* 保存到當前狀態(tài)寄存器*/

（3） 系統(tǒng)RAM初始化。初始化系統(tǒng)RAM的主要目的是為下面使用RAM空間的操作做好準備工作，如進行代碼拷貝及堆棧初始化等。這部分工作可以分為兩個步驟。首先，根據(jù)系統(tǒng)配置的存儲器特性，初始化相關存儲塊控制寄存器的值， 在S3C44B0 中存儲空間被分為BANK0到BANK7共8個塊，分別由BANKCON0到BANKCON7控制各塊存儲器的讀寫時鐘數(shù)和片選時鐘數(shù)等信號參數(shù)，對于采取不同存儲芯片的嵌入式系統(tǒng)，可以通過查閱芯片手冊來獲取該信息，并寫入相關寄存器。

LDR r0， = rBANKCON0

LDR r1， = 0x700

STR r1， [ r0 ]

/* 中間省略BANK1到BANK6*/

LDR r0， = rBANKCON7

LDR r1， = 0x18000

STR r1， [ r0 ]

LDR r0， = rREFRESH

LDR r1， = 0xac03e1

STR r1， [ r0 ]

LDR r0， = rBANKSIZE

LDR r1， = 0x16

STR r1， [ r0 ]

然后，對存儲器空間中需要清零的區(qū)域進行清零操作，該區(qū)域的范圍往往是由開發(fā)人員通知編譯器的，主要是用來存放C語言中全局變量等。

LDR a1， = Image_ZI_Base /* 獲取清零區(qū)域基地址*/

MOV a3， #0 /* 清零a3寄存器*/

LDR a2， = Image_ZI_L imit /* 獲取清零區(qū)域尾地址*/

CMP a1， a2

BEQ move_data

clear_loop: : /* 清零Image_ZI_Base到Image_ZI_Limit區(qū)域*/

STR a3， [ a1 ] ， #4/* 清零4個字節(jié)，即一個字*/

CMP a1， a2 /* 判斷是否到達清零區(qū)域尾部*/

BNE clear_loop /* 否則，繼續(xù)清零循環(huán)*/

（4） 為運行C程序組織堆棧。由于在系統(tǒng)引導的下一階段，通常會使用C語言來完成大部分（如建立主機通信、驅(qū)動外部端口的工作） ，故必須調(diào)整SP指針到堆棧頂，為C程序配置合適的堆棧環(huán)境。在具體實現(xiàn)過程中為避免堆棧數(shù)據(jù)被程序運行代碼破壞，往往會把堆棧設置在RAM的高端地址，并把堆棧的生長方向設為向下生長，這樣可以最大限度地利用RAM空間，同時可以避免上述問題發(fā)生。

（5）拷貝初始化階段代碼到RAM。由于在S3C44B0芯片中Flash和RAM是統(tǒng)一編址的，只需通過簡單的循環(huán)來實現(xiàn)代碼拷貝工作。

copy_code_to_ram :

LDR r3， = Flash_Sou/* Flash_Sou為Flash中代碼首地址*/

LDR r2， =Ram_Dest /* Ram_Dest為Ram中代碼首地址*/

LDR r1， = 0

next :

LDR r0， [ r1 ] ， #4

STR r0， [ r2 ] ， #4 /* 復制到ram*/

CMP r1， r3

BNE next

跳轉(zhuǎn)到C程序入口：

LDR pc， =Main

系統(tǒng)初始化階段

系統(tǒng)初始化階段的主要工作是建立與主機間的通信、初始化定時器、檢測內(nèi)存映射、加載uClinux內(nèi)核鏡像和配置內(nèi)核啟動參數(shù)等。

與主機建立通訊

面向最終用戶的嵌入式產(chǎn)品，其啟動過程應該是不需要人工干預的，但對于大多數(shù)嵌入式開發(fā)平臺而言，必須通過某種方式與主機間建立通訊聯(lián)系，輸出啟動提示信息，以實現(xiàn)人工干預的系統(tǒng)啟動過程，提供更加豐富的附加功能。一般情況下，最為廉價和簡單的方式是通過串口實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與主機間通訊（ S3C44B0提供2個Uart口，建立通信前必須初始化至少一個），這種情況下就必須事先對串口進行初始化工作。

以本開發(fā)板為例，在系統(tǒng)初始化的初期，就進行了Uart口的初始化工作，并通過該端口與用戶宿主機上的超級終端程序通信，從而提供了多種啟動功能的選擇，包括Demo程序下載、Flash重新編程等。Uart0口初始化過程可參看以下C代碼，其中波特率因子的計算公式可以查閱S3C44B0芯片手冊。

rULCON0 = 0x3；//設置Uart0 口線控寄存器，無奇偶效驗， 8數(shù)據(jù)位， 0停止位

rUCON0 = 0x345；//設置Uart0控制寄存器

rUBRD IV0 = （ （ int） （mclk /16. /baud + 0.5） - 1 ） ；//設置波特率因子，其中mclk和baud為系統(tǒng)頻率和波特率

初始化定時器

通過設置系統(tǒng)定時器相關的寄存器，實現(xiàn)為操作系統(tǒng)提供最基本的系統(tǒng)時鐘支持。

檢測內(nèi)存映射

為防止發(fā)生內(nèi)存映射錯誤，即系統(tǒng)映射到物理地址不存在的空間，必須對內(nèi)存地址作讀寫一致性效驗。通常做法是以內(nèi)存頁為單位，在每個頁頭進行讀寫操作，并比較讀寫結(jié)果。

加載uClinux內(nèi)核鏡像

加載uClinux內(nèi)核工作實際上是完成將Flash中uClinux內(nèi)核代碼拷貝到RAM指定地址單元的工作，在拷貝前必須在第二階段RAM啟動代碼和該部分代碼之間預留一定的空間，用來存放uClinux的全局結(jié)構(gòu)變量，如： 啟動參數(shù)、內(nèi)核頁表、ARM的頁目錄等信息。全地址空間的分配情況可參看本開發(fā)板地址空間分配示意圖1。

圖1　地址空間分配示意圖

配置內(nèi)核啟動參數(shù)

uClinux 內(nèi)核啟動過程中，支持參數(shù)傳入。在嵌入式系統(tǒng)中，啟動參數(shù)的傳入主要靠bootloader程序向標記列表（ tagged list）的相關域中填寫對應的值來完成，常見的參數(shù)如有ATAG_CORE、ATAG_MEM、ATAG_CMDL INE、ATAG_RAMD ISK、ATAG_ IN ITRD等。

uClinux內(nèi)核引導

在初始化階段完成uClinux啟動參數(shù)設置后，控制權交由uClinux內(nèi)核接管，并調(diào)用解壓內(nèi)核函數(shù)（ decomp ress_kernel） ，對拷貝到SDRAM的內(nèi)核映像文件進行解壓縮，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核調(diào)用函數(shù)（ call_ kernel） ，該函數(shù)實際上是執(zhí)行start_kernel （ ） ，其中包括了處理器結(jié)構(gòu)的初始化、中斷的初始化、進程相關的初始化以及內(nèi)存初始化等重要工作。最后，將控制權交給解壓后的uClinux系統(tǒng)，進而完成整個uClinux內(nèi)核引導過程，參看以下偽碼： If （啟動參數(shù)配置正確）調(diào)用decomp ress_kernel （ ）調(diào)用call_kernel （ ）else提示啟動失敗decomp ress_kernel（ ）{解壓內(nèi)核鏡像文件}call_kernel （ ）{ start_kernel（ ） ；}

小　結(jié)

對于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員來說，針對某一特定的嵌入式硬件平臺，移植開發(fā)基于uClinux操作系統(tǒng)的應用產(chǎn)品時，往往需要自己動手編寫或修改已有的啟動代碼，而為uClinux內(nèi)核啟動準備合適的工作環(huán)境，占據(jù)了大部分工作量。至于uClinux引導，在設置好啟動參數(shù)后則是由編譯好的內(nèi)核鏡像自動完成，對于系統(tǒng)開發(fā)人員來說基本上是透明的。